一种结构化胶结接触界面试样制备装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程材料制备技术领域，特别涉及一种结构化胶结接触界面试样制备装置及其制备方法。

背景技术

高性能自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土由于具有很好的流动性能，在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅依靠自重就能密实填充颗粒间的微小孔隙。自密实水泥基的胶凝材料是房屋、桥梁、坝体和路基等工程建设中常用的材料，同时自密实水泥基的胶凝材料在边坡、病害坝、地基和隧洞等加固工程有广泛的应用。高性能水泥基的胶凝材料具有施工简单、工程量小和工程成本低等优点。

本申请人在先申请了一种结构化胶结颗粒材料及其制备方法(申请号：CN201810284687.4)。根据本申请人的多年研究表明通过控制高性能自密实水泥基材料的流动性、粘度和灌注量可实现在散粒体中形成具有一定空间结构的结构化胶结材料，其中胶结体通过水泥基材料的水化作用，可明显提高胶结体-散粒体复合材料的抗剪强度、弹性模量和变形模量，同时保持散粒体原有孔隙结构的连通性和透水能力。结构化胶结材料作为一种介于散粒体与连续体之间的新型复合材料，能在保持土石料良好的变形能力与破坏延展性的同时，有效提高其变形模量和抗压强度等指标，是水利水电与海洋工程等领域一种新兴的环境友好型建筑材料。

结构化胶结材料中胶结体-散粒体复合结构之间存在着复杂的相互作用，需系统研究复合结构中胶结体与散粒体间接触界面的性质，揭示其变形与破坏机理，现有的制样装置难以满足制样要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种结构化胶结接触界面试样制备装置及其制备方法，可以形成不同厚度、多种形态的结构化胶结接触界面，为开展大量结构化胶结材料基础研究提供保证。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提出的一种结构化胶结接触界面试样制备装置，其特征在于，包括底座、下部模具、上部模具、叠环组、击实部件和浇筑部件；所述下部模具、叠环组和上部模具的中部分别具有用于容纳颗粒材料的空腔，所述下部模具支承于所述底座之上，所述叠环组设置于下部模具和上部模具之间，且下部模具、叠环组和上部模具之间通过限位件限制彼此的位移；所述击实部件用于压实各空腔内的颗粒材料；所述浇筑部件用于向所述下部模具和叠环组的空腔内颗粒材料间的空隙浇筑胶凝材料，以在叠环组空腔内形成由颗粒材料与胶凝材料构成的胶结体间的结构化胶结接触面，得到结构化胶结接触界面试样。

进一步地，待结构化胶结接触界面试样制备完成后，取出所述限位件，通过向所述叠环组施加的驱动力而在各叠环之间产生的水平位移来实现对所述结构化胶结接触面的剪切。

进一步地，所述击实部件包括与所述下部模具、叠环组和上部模具的内值径相匹配的击实垫板，固定于所述击实垫板上表面的导向杆以及固定套设于所述导向杆上的击实锤，通过所述导向杆带动所述击实垫板和击实锤上下移动。

进一步地，所述浇筑部件包括浇筑筒和浇筑挡板；所述浇筑筒设置于所述上部模具上方，所述浇筑筒的底部设有多个透浆孔，所述浇筑筒的侧壁底部设有可将所述浇筑挡板嵌入和抽出的凹槽。

本发明第二方面提出了一种利用上述结构化胶结接触界面试样制备装置制备结构化胶结接触界面试样的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测定所用颗粒材料的物理参数，包括密度、孔隙比、摩擦角，计算所需颗粒材料的质量；确定所述胶凝材料的流动性和粘性；确定所述颗粒材料的胶结区域及形成所述胶结体所需的所述胶凝材料的灌浆量；

S2、采用分层击实的方式进行胶结体部分的所述颗粒材料的装样，控制装样高度、均匀性和密实度；向所述胶结区域内填充所述胶凝材料，所述胶凝材料将流动路径上的所述颗粒材料粘结成所述胶结体，所述胶结体部分可以是完全胶结，也可以是部分胶结；

S3、采用分层击实的方式在所述胶结体上进行散粒体部分的装样，控制装样的高度、均匀性和密实度，以获得所述结构化胶结接触界面试样的散粒体部分，散粒体与胶结体在叠环组内接触形成所述结构化胶结接触界面。

进一步地，所述胶凝材料为高性能水泥基胶凝材料；所述胶结体与所述散粒体于叠环组内相互接触，通过灌注胶凝材料形成胶结体-散粒体复合结构的接触界面，通过改变叠环组的厚度以形成不同厚度的结构化胶结接触界面；通过改变胶凝材料的灌注方式及灌注位置以形成多种形态的结构化胶结接触界面，所述胶结体部分可采用单次浇筑或多次浇筑的方式浇筑而成，也可采用单点浇筑或多点浇筑的方式浇筑而成。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明首次提出结构化胶结接触界面试样的制备装置及其制备方法，专门为研究结构化胶结试样与颗粒材料界面特性而设计，能够通过改变叠环组厚度及胶凝材料灌注方式形成不同厚度、多种形态的结构化胶结接触界面，进而通过物理试验探究胶结体与散粒体相互作用特性及各因素对变形特性的影响规律，揭示不同条件下结构化胶结接触界面的变形与破坏机理，为后期开展结构化胶结材料基础研究及实际工程应用提供保证。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构化胶结接触界面试样制备装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的叠环组装置的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的制样装置的截面结构示意图及压实过程示意图；

图4为本发明另一个实施例的制样装置的截面结构示意图及浇筑过程示意图；

图5为本发明一个实施例的结构化胶结接触界面试样的制备方法流程图。

附图标记：

1：限位件；2：下部模具；3：上部模具；4：底座；5：叠环组；51：带槽叠环；511：槽；52：带孔叠环；521：孔；53：滚珠；6：击实垫板；7：击实锤；8：导向杆；9：浇筑筒；10：浇筑挡板；11：颗粒材料；12：结构化胶结接触面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种结构化胶结接触界面试样的制备装置。

根据本发明的实施例，参考图1，所述结构化胶结接触界面试样制备装置，包括底座4、下部模具2、上部模具3、叠环组5、击实部件和浇筑部件；其中，下部模具2、叠环组5和上部模具3的中部分别具有用于容纳颗粒材料11的空腔，下部模具2支承于底座4之上，叠环组5设置于下部模具2和上部模具3之间，且下部模具2、叠环组5和上部模具3之间通过限位件1限制彼此的位移；击实部件用于压实各空腔内的颗粒材料；浇筑部件用于向下部模具2和叠环组5的空腔内颗粒材料间的空隙浇筑高性能水泥基胶凝材料，以在叠环组5空腔内形成由颗粒材料与高性能水泥基胶凝材料构成的胶结体间的结构化胶结接触面12，得到结构化胶结接触界面试样。

在底座4表面粘贴有止浆件(本实施例中，该止浆件采用橡胶板)，在底座4上部安装下部模具2，下部模具2的上表面开设有凹槽，叠环组5的底部安装在该凹槽上，上部模具3的下表面也开设有凹槽，叠环组5的顶部安装在该凹槽内。为了保证本制备装置工作过程中稳定性，下部模具2、叠环组5和上部模具3之间通过限位件1进行连接，本实施例中，该限位件1为定位销杆，在下部模具2、叠环组5和上部模具3四周的相应位置处均开有定位销孔，用于穿过相应的定位销杆以实现下部模具2、叠环组5和上部模具3的连接固定。装置组装完成后，所述橡胶内膜粘贴于制样装置内表面。需要说明的是，本文中所有“下”是指沿重力的方向，而“上”是指与重力方向相反的方向。

根据本发明的实施例，下部模具2和上部模具3均为对开模具，分别为2个对开模拼接在一起形成的空心模具，其形状不受特别的限制，具体例如圆形、方形等截面形状，对开模具的2个对开模通过法兰及螺栓进行连接。

根据本发明的实施例，参考图2，叠环组5安装在下部模具2上方，包括带槽叠环51和带孔叠环52，在带孔叠环52的孔521中安放有可在带槽叠环51的槽511中滚动的滚珠53，可有效减小试验过程中叠环之间的摩擦阻力。待结构化胶结接触界面试样制备完成后，取出限位件1，通过向叠环组5施加的驱动力而在各叠环之间产生的水平位移来实现对结构化胶结接触面的剪切。叠环组5、下部模具2和上部模具3的内直径均相互匹配，具体地，叠环组5、下部模具2和上部模具3的内径不小于300mm，以尽可能消除边界效应的影响。考虑到接触界面的剪切变形区域厚度，叠环组5的总体厚度至少为100mm，带槽叠环51和带孔叠环52的厚度不超过5mm，以更准确反应相应高度处试样的变形。

在本发明的一些实施例中，参见图3，击实部件包括与下部模具2、叠环组5和上部模具3的内值径相匹配的击实垫板6、固定于击实垫板6上表面的导向杆7、固定套设于导向杆7上的击实锤8，其中，击实垫板6可在下部模具2、叠环组5和上部模具3的内部上下活动，导向杆7的下端与击实垫板6相连接，击实锤8设置有通孔，且导向杆7穿过该通孔，击实锤8可在导向杆上上下移动。通过反复上下移动击实锤8可使得颗粒材料快速密实堆积，有利于后续均匀浇注制样，并提高胶结体试样的制样效率且降低试样的离散性。

在本发明的另一些实施例中，参见图4，浇筑部件置于上部模具3上方，该浇筑部件包括浇筑筒9和浇筑挡板10，浇筑筒9的底部设置有多个透浆孔，浇筑筒9的侧壁底部设有可将浇筑挡板10嵌入和抽出的凹槽，浇筑挡板10嵌入浇筑筒9侧壁的凹槽之中。本申请人在研究过程中发现，将颗粒材料分层密实堆积之后，取下击实部件，并将浇筑部件放于上部模具3上方，再向浇注筒9内倒入高性能水泥基胶凝材料，抽出浇筑挡板10，浆液从浇筑筒9底部的多个透浆孔流入下部模具2和叠环组5空腔内颗粒材料间的空隙中，即可均匀地浇注出胶结体试样。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种结构化胶结接触界面试样的制备方法。根据本发明的实施例，参考图5，该制备方法包括以下步骤：

S1、测定所用颗粒材料的物理参数，包括密度、孔隙比、摩擦角等，计算所需颗粒材料的质量；确定高性能水泥基的胶凝材料的流动性和粘性；确定颗粒材料的胶结区域及形成胶结体所需的高性能水泥基的胶凝材料的灌浆量；

S2、采用分层击实的方式进行胶结体部分的颗粒材料的装样，控制装样高度、均匀性和密实度；向胶结区域内填充高性能水泥基的胶凝材料，高性能水泥基的胶凝材料将流动路径上的颗粒材料粘结成胶结体，胶结体部分可以是完全胶结，也可以是部分胶结；

S3、采用分层击实的方式在胶结体上进行散粒体部分的装样，控制装样的高度、均匀性和密实度，以获得结构化胶结接触界面试样的散粒体部分，散粒体与胶结体在叠环组内接触形成所述结构化胶结接触界面。

进一步地，本发明实施例中的高性能水泥基的胶凝材料为高性能自密实水泥净浆、高性能自密实水泥砂浆或高性能自密实混凝土。

进一步地，本发明实施例中高性能自密实水泥净浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为1.5～2.5s；高性能自密实水泥砂浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为5～12s；高性能自密实混凝土的扩展度为550～750mm、浇筑塌落度为230～290mm且V漏斗值为8～25s。

进一步地，可通过掺加石粉调节自密实水泥基的胶凝材料的流动性能和强度参数。

进一步地，胶结体与散粒体于叠环组内相互接触，通过灌注高性能水泥基胶凝材料形成胶结体-散粒体复合结构的接触界面，通过改变叠环组的厚度以形成不同厚度的结构化胶结接触界面。

进一步地，通过改变高性能水泥基胶凝材料的灌注方式及灌注位置以形成多种形态的结构化胶结接触界面，胶结体部分可采用单次浇筑或多次浇筑的方式浇筑而成，也可采用单点浇筑或多点浇筑的方式浇筑而成。

根据本发明的实施例，胶结体浇筑的形式可采用一次浇筑或分层分区多次浇筑，如此，一次浇筑完成的胶结体部分整体性能更好，而根据实际需要分层分区浇筑而成的胶结体可调控各层各区的不同接触界面强度。胶结体浇筑的灌浆点位可采用单点浇筑或多点多次浇筑，如此一次浇筑完成的胶结体部分整体性能更好，而根据实际需要多点多次浇筑而成的胶结体可反映不同的接触界面形态。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，制备出低强度的结构化胶结接触界面试样，该结构化胶结接触界面的设计方法适用于堆石坝加固工程，也适用于堤防、路基等建造工程。其中，颗粒材料选择粒径为5～8mm的碎石，高性能水泥基的胶凝材料采用扩展度为270±10mm且V漏斗值为1.8±0.2s的自密实水泥净浆，胶结颗粒材料的孔隙率约为35％。具体步骤如下：

(1)选择自密实水泥净浆进行浇筑，并确定出胶结颗粒料中预期水泥净浆的沉积量为5％；

(2)根据高性能水泥净浆流经碎石材料后的沉积量，确定出预期5％胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基净浆的扩展度为260-280mm，进而确定出水泥净浆配合比。

(3)向碎石材料中单次单点位灌注高性能水泥净浆，高性能水泥净浆在自重作用下沿着碎石材料孔隙流动，部分的水泥净浆沉积于碎石材料的空隙，可获得低强度结构化胶结体。

(4)继续采用分层击实的方式进行装样，控制装样的高度、均匀性和密实度，以获得所述结构化胶结接触界面试样的散粒体部分，散粒体与胶结体接触形成低强度结构化胶结接触界面。

实施例2

在该实施例中，制备出梅花桩形态的结构化胶结接触界面试样，该结构化胶结接触界面的设计方法适用于碎石桩加固工程。其中，颗粒材料选择粒径为5～8mm的碎石，高性能水泥基的胶凝材料采用扩展度为250±10mm且V漏斗值为2.0±0.2s的自密实水泥净浆，胶结颗粒材料的孔隙率约为38％。具体步骤如下：

(1)选择自密实水泥净浆进行浇筑，并确定出胶结颗粒料中预期水泥净浆的沉积量为8％；

(2)根据高性能水泥净浆流经碎石材料后的沉积量，确定出预期8％胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基净浆的扩展度为240-260mm，进而确定出水泥净浆配合比。

(3)向碎石材料中灌注自密实水泥净浆，灌注的点位采用梅花桩布置形式灌注，高性能水泥净浆在自重作用下沿着碎石材料孔隙流动，部分的水泥净浆沉积于碎石材料的空隙，可获得梅花桩形态的胶结体。

(4)继续采用分层击实的方式进行装样，控制装样的高度、均匀性和密实度，以获得所述结构化胶结接触界面试样的散粒体部分，散粒体与胶结体接触形成所述胶结接触界面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。